JP4626558B2

JP4626558B2 - 電池状態判定装置

Info

Publication number: JP4626558B2
Application number: JP2006105793A
Authority: JP
Inventors: 佳史山田; 美昭町山; 享原
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2026-04-07
Also published as: JP2007280776A

Description

本発明は電池状態判定装置に係り、特に、車両に搭載された鉛電池の劣化状態を判定する電池状態判定装置に関する。

車両に搭載された鉛電池（自動車用鉛電池）は、車両のみならず車載された各種電気機器へ電力を供給している。また、車両には、エンジンにより駆動される発電機（オルタネータ）が装備されており、鉛電池はオルタネータの作動制御により充電され容量が保たれている。近年、例えば、カーナビ等車両の電気負荷が増し、また環境問題への配慮から電動モータとエンジンを組み合わせたハイブリッド電気自動車や信号停止時等にエンジンを停止させ発進時に再始動させる（ＩＳＳシステムを備えた）自動車等が開発されてきている。

このような鉛電池の使用環境下では、鉛電池の劣化状態を正確に検知し、現在の充電状態を把握することで常に車両走行への支障をなくすため（例えば、エンジン停止中に各種電気機器の負荷により鉛電池の残容量が小さくなると、エンジンを始動する充分な出力が得られなくなり、エンジン停止後再始動することができなくなるおそれがあるため）、鉛電池の劣化状態を正確に検知する技術が重要となってくる。

鉛電池の状態検知技術として、スタータモータが機能してエンジンが始動されるとき、すなわち、エンジンが回転し始める時の鉛電池電圧の瞬間的な落ち込み、つまり、最低電圧値（Ｖｓｔ）を検出し（図３参照）、落ち込みが閾値を超えないかどうかを監視する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−６３１１４１号公報

鉛電池の電池状態判定装置の商品化を考える場合、定常的に最低電圧値（Ｖｓｔ）を検出することは困難であるため、鉛電池周辺に最低電圧検出装置を設けるか一体型とする等車載状況下での使用が必要であると容易に想像できる。また、最低電圧検出装置を常時車載状況下で使用するとエンジンルームのスペースに限りがあることから大掛かりな装置を搭載することは難しくコンパクトな装置を搭載する必要があると考えられる。

一方、最低電圧値（Ｖｓｔ）を複数回取得して、例えば、その平均値を真の最低電圧値とする場合、車両のエンジンルーム内で最低電圧値の測定を行なうと、車両の電磁波によって、頻度としては少ないが誤測定が行なわれることがある。また、最低電圧値の精度を高めるために、エンジン始動時の鉛電池の電圧測定は一般に１００Ｈｚ以上の高速で行われる（サンプリング速度が１００Ｈｚ以上のＡ／Ｄコンバータが使用される）が、このような高速で電圧測定を行なうと、より誤測定が生じ易くなる。この誤測定は何点かに１点、不定期に検出されるため、鉛電池の電圧から鉛電池の状態を検知する電池状態判定装置では非常に厄介なものとなっていた。

本発明は上記事案に鑑み、車両に搭載された鉛電池の劣化状態を正確に判定可能な電池状態判定装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、車両に搭載された鉛電池の劣化状態を判定する電池状態判定装置において、前記鉛電池のエンジン始動時のアナログ電圧を１００Ｈｚ以上の速度でデジタル電圧値に変換する変換手段と、前記変換手段で変換されたデジタル電圧値の中から前記鉛電池のエンジン始動時の最低電圧値（Ｖｓｔ）を抽出する最低電圧値抽出手段と、前記最低電圧値抽出手段でエンジン始動の度に抽出された複数の前記最低電圧値（Ｖｓｔ）のうち、予め設定された上限電圧値以上の最低電圧値及び予め設定された下限電圧値以下の最低電圧値を削除し、残りの最低電圧値の中央値、最頻値、平均値のいずれかが予め設定された判定基準電圧値以下かを判定する判定手段と、を備える。

本発明では、変換手段により鉛電池のエンジン始動時のアナログ電圧が１００Ｈｚ以上の速度でデジタル電圧値に変換され、最低電圧値抽出手段により変換手段で変換されたデジタル電圧値の中から鉛電池のエンジン始動時の最低電圧値（Ｖｓｔ）が抽出され、判定手段により、最低電圧値抽出手段でエンジン始動の度に抽出された複数の最低電圧値（Ｖｓｔ）のうち、予め設定された上限電圧値以上の最低電圧値及び予め設定された下限電圧値以下の最低電圧値が削除され、残りの最低電圧値の中央値、最頻値、平均値のいずれかが予め設定された判定基準電圧値以下かが判定されることで鉛電池の劣化状態が判定される。本発明によれば、判定手段により、最低電圧値抽出手段で抽出された複数の最低電圧値のうち、誤測定と考えられる、上限電圧値以上の最低電圧値及び下限電圧値以下の最低電圧値が削除され、残りの最低電圧値の中央値、最頻値、平均値のいずれかが予め設定された判定基準電圧値以下かが判定されるので、鉛電池の劣化状態を正確に判定することができる。

本発明において、例えば、上限電圧値を１０．５Ｖ、下限電圧値を３．０Ｖに設定してもよく、又は、上限電圧値を最低電圧値（Ｖｓｔ）のうちの最大値、下限電圧値を最低電圧値（Ｖｓｔ）のうちの最小値に設定してもよい。また、最低電圧値抽出手段で抽出された最低電圧値（Ｖｓｔ）を記憶する不揮発性記憶手段を更に備え、判定手段は記憶手段に記憶された複数の前記最低電圧値（Ｖｓｔ）を読み出すようにしてもよい。更に、鉛電池による充放電分極による電圧測定の不正確さを排除するために、エンジン始動がエンジン停止後所定時間以上経てなされたかを判断するエンジン始動間隔判断手段を更に備え、エンジン始動間隔判断手段が肯定判断したときに、最低電圧値抽出手段が変換手段で変換されたデジタル電圧値の中から前記鉛電池のエンジン始動時の最低電圧値（Ｖｓｔ）を抽出するようにしてもよい。

本発明によれば、判定手段により、最低電圧値抽出手段で抽出された複数の最低電圧値のうち、誤測定と考えられる、上限電圧値以上の最低電圧値及び下限電圧値以下の最低電圧値が削除され、残りの最低電圧値の中央値、最頻値、平均値のいずれかが予め設定された判定基準電圧値以下かが判定されるので、鉛電池の劣化状態を正確に判定することができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る電池状態判定装置の最良の実施の形態について説明する。

（構成）
図１に示すように、本実施形態の電池状態判定装置１は、差動増幅回路等を有し鉛電池２の端子間電圧を測定する電圧センサ３及び鉛電池２の電池状態を判定するマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）１０を備えており、自動車のエンジンルーム内に配置されている。

鉛電池２は、電池容器となる略角型の電槽を有している。電槽の材質には、成形性、電気的絶縁性、耐腐食性及び耐久性等の点で優れる、例えば、アクリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）等の高分子樹脂を選択することができる。電槽には合計６組の極板群が収容されている。各極板群は、複数枚の負極板及び正極板がセパレータを介して積層されており、セル電圧は２．０Ｖとされている。従って、鉛電池２の公称電圧は１２Ｖである。電槽の上部は、電槽の上部開口部を密閉するＡＢＳ、ＰＰ、ＰＥ等の高分子樹脂製の上蓋に接着ないし溶着されている。上蓋には、鉛電池を電源として外部へ電力を供給するための正極外部出力端子及び負極外部出力端子が立設されている。

鉛電池２の正極外部出力端子は、イグニッションスイッチ（以下、ＩＧＮスイッチという。）５の中央端子に接続されている。ＩＧＮスイッチ５は、中央端子とは別に、ＯＦＦ端子、ＯＮ／ＡＣＣ端子及びＳＴＡＲＴ端子を有しており、中央端子とこれらＯＦＦ、ＯＮ／ＡＣＣ及びＳＴＡＲＴ端子のいずれかとは、ロータリー式に切り替え接続が可能である。

ＳＴＡＲＴ端子はエンジン始動用セルモータ（スタータ）９に接続されている。セルモータ９は、図示しないクラッチ機構を介してエンジン８の回転軸に回転駆動力の伝達が可能である。

また、ＯＮ／ＡＣＣ端子は、エアコン、ラジオ、ランプ等の補機６及び一方向への電流の流れを許容し電圧を平滑化するレギュレータを介してエンジン８の回転により発電する発電機７の一端に接続されている。すなわち、レギュレータの一端側（アノード側）は発電機７の一端に、他端（カソード側）はＯＮ／ＡＣＣ端子に接続されている。エンジン８の回転軸は、不図示のクラッチ機構を介して発電機７に動力の伝達が可能である。このため、エンジン８が回転状態にあるときは、不図示のクラッチ機構を介して発電機７が作動し発電機７からの電力が補機６や鉛電池２に供給（充電）される。なお、ＯＦＦ端子はいずれにも接続されていない。

鉛電池２の外部出力端子は、電圧センサ３に接続されており、電圧センサ３の出力側はマイコン１０に内蔵された変換手段としてのＡ／Ｄコンバータに接続されている。Ａ／Ｄコンバータは、電圧センサ３から入力されたアナログ電圧をデジタル電圧値に変換する。このため、マイコン１０は、鉛電池２の電圧をデジタル値で取り込むことができる。

マイコン１０は、中央演算処理装置として機能するＣＰＵ、電池状態判定装置１の基本制御プログラムや後述する判定基準電圧値等のプログラムデータが格納されたＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くとともにデータを一時的に記憶するＲＡＭ等を含んで構成されている。また、マイコン１０の外部バスには、記憶手段としての不図示のＥＥＰＲＯＭ（不揮発性メモリ）が接続されている。発電機７、セルモータ９及び補機６の他端、鉛電池２の負極外部出力端子及びマイコンは、それぞれグランドに接続されている。なお、本実施形態のマイコン１０は、エンジン始動時の鉛電池２の電圧を１ｍ秒間隔でサンプリングし、サンプリング結果をＲＡＭに格納する。

（動作）
次に、フローチャートを参照して、本実施形態の電池状態判定装置１の動作について、マイコン１０のＣＰＵを主体として説明する。マイコン１０に電源が投入されると、ＣＰＵは、鉛電池２の電池状態を判定するための電池状態判定ルーチンを実行する。なお、ＲＯＭに格納されたプログラムやプログラムデータは、マイコン１０への電源投入後の図示しない初期設定処理によりＲＡＭに展開される。

図２に示すように、電池状態判定ルーチンでは、ステップ１１２において、ＩＧＮスイッチ５の中央端子がＳＴＡＲＴ端子に接続された旨の報知を受けたか否かを判断することにより、エンジンが始動したか否かを判断する。中央端子がＳＴＡＲＴ端子に接続された旨の報知は、ＩＧＮスイッチ５から直接又は車両制御システム１１を介して受けてもよい。

次のステップ１１４では、エンジン始動時の鉛電池２の電圧データを取り込む（ＲＡＭに格納する）。上述したように、マイコン１０に内蔵されたＡ／Ｄコンバータのサンプリング速度は１ｍｓｅｃであり、エンジン始動時の鉛電池２の電圧を精度よく取り込むことができるが、サンプリング速度が１００Ｈｚ未満のものを用いると低分解能となるため（図３参照）、最低電圧値Ｖｓｔを精度よく取り込むことができなくなる。

次にステップ１１６において、ＲＡＭに格納されたエンジン始動時の鉛電池２の電圧データのうちの最小値を抽出してエンジン始動時の鉛電池２の最低電圧値Ｖｓｔとして、ＥＥＰＲＯＭに書き込む。

ステップ１１８では、エンジン始動の度にＥＥＰＲＯＭに書き込まれた複数の最低電圧値Ｖｓｔを読み出す。次いで、ステップ１２０において、読み出した最低電圧値Ｖｓｔのうち、予め設定された上限電圧値（例えば、１０．５Ｖ）以上の最低電圧値Ｖｓｔ及び予め設定された下限電圧値（例えば、３．０Ｖ）以下の最低電圧値を除くことで、誤測定データとみなされるデータを排除し、残りの最低電圧値Ｖｓｔの平均値を算出する。

次にステップ１２２において、ステップ１２０で算出した平均値が予め設定された判定基準電圧値（例えば、８．００Ｖ）以下か否かを判断することで、鉛電池２が劣化したか否かを判断する。肯定判断のときは、次のステップ１２４において、鉛電池２が劣化した旨を車両制御システム１１に報知して電池状態判定ルーチンを終了する。鉛電池２が劣化した旨の報知を受けた車両制御システム１１は、停車後エンジン再始動（ＩＳＳ）ができなくなるおそれがあるため、インストールメントパネルに鉛電池２が劣化した旨を表示してドライバに鉛電池２の交換を促す。一方、ステップ１２２で否定判断のときは、電池状態判定ルーチンを終了する。

（作用・効果等）
次に、本実施形態の電池状態判定装置１の作用・効果等について説明する。

本実施形態の電池状態判定装置１では、エンジン始動時の鉛電池２のデジタル電圧値を高分解能で取り込むために、サンプリング速度が１ｍｓｅｃのＡ／Ｄコンバータをマイコン１０に内蔵しており、エンジン始動の度に、最低電圧値Ｖｓｔを精度よく抽出してＥＥＰＲＯＭに記憶し（ステップ１１６）、ＥＥＰＲＯＭから読み出した最低電圧値Ｖｓｔのうち、上限電圧値以上の最低電圧値Ｖｓｔ及び下限電圧値以下の最低電圧値を除くことで、誤測定データとみなされるデータを排除して、残りの最低電圧値Ｖｓｔの平均値を算出し（ステップ１２０）、鉛電池２の劣化状態を判定している（ステップ１２２）。本実施形態の電池状態判定装置１によれば、高速のＡ／Ｄコンバータを用い電磁波等の影響を受けやすいエンジンルーム内に配置されていても、誤測定データとみなされる最低電圧値Ｖｓｔのデータが排除されるので、鉛電池２の劣化状態を正確に判定することができる。

なお、本実施形態では、誤測定データとみなされるデータを排除して残りの最低電圧値Ｖｓｔの平均値を算出し（ステップ１２０）、該平均値と判定基準電圧値とを比較することで鉛電池２の劣化状態を判定する（ステップ１２２）例を示したが、本発明はこれに限らず、最低電圧値Ｖｓｔの中央値や最頻値を算出し、該中央値ないし最頻値と判定基準電圧値とを比較するようにしてもよい。

また、本実施形態では、ＥＥＰＲＯＭから読み出した最低電圧値Ｖｓｔのうち、上限電圧値（１０．３Ｖ）以上の最低電圧値Ｖｓｔ及び下限電圧値（３．０Ｖ）以下の最低電圧値を除くことで、誤測定データとみなされるデータを排除する例を示したが、本発明はこれに制限されず、例えば、最低電圧値Ｖｓｔのうちの最大値、最低電圧値Ｖｓｔのうち最小値を排除するようにしてもよい。

更に、本実施形態では、鉛電池２の消費電力を抑えるために、車両が駐車中に、電池状態判定装置１に作動電力が供給されない例を示したが、本発明はこれに制約されず、ステップ１２４での処理の後、及び、ステップ１２２の否定判断のときに、ステップ１１２に戻るようにしてもよい。この場合には、電池状態判定装置１には常に作動電力が供給されるので、コスト高となるＥＥＰＲＯＭを使用する必要がなくなる。

また、本実施形態では、エンジン始動の度に最低電圧値Ｖｓｔを測定する例を示したが、鉛電池２が放電している間（車両の運転中）放電分極が蓄積され、分極が解消された状態とはならないため、エンジン停止後所定時間（例えば、６時間、好ましくは８時間以上）が経過したか否かを判断し、肯定判断のときに、最低電圧値Ｖｓｔを抽出するようにしてもよい。このような判断は、上述した電池状態判定ルーチンにおいては、ステップ１１６より前に行われることが望ましい。なお、エンジン停止後所定時間が経過したか否かを判断は、マイコン１０が内部時計により計時してもよいし、別にタイマ（ＩＣ）を備えるようにしてもよいし、更に、車両制御システム１１からエンジンの停止時刻、エンジンの始動開始時刻（現在の時刻）等の報知を受けてマイコン１０が判断するようにしてもよい。そして、本実施形態では、変換手段として１ｍｓｅｃのサンプリング速度（１０００Ｈｚ）を有するＡ／Ｄコンバータを例示したが、本発明はこれに限らず、１００Ｈｚ以上でエンジン始動時の鉛電池２の電圧をサンプリングできればよい。

（試験）
上述した実施形態に従い以下の試験を行なった。鉛電池２を搭載した車両として排気量１８００ｃｃのガソリンエンジン車を任意に選んだ。下表１に示すように、１ｍｓｅｃ間隔で電圧測定が可能な電圧計を用いて、エンジン始動電圧データを計２４回取得した。なお、エンジン始動の間隔はエンジン停止させてから６ｈ以上放置後とした。

データ１、１３、２３がノイズデータと考えられる。得られた２４個の最低電圧値Ｖｓｔすべての平均値を計算により導く簡単なプログラムと、得られた２４個の最低電圧値Ｖｓｔのうち１０．５Ｖ以上の最低電圧値Ｖｓｔ、３Ｖ以下の最低電圧値Ｖｓｔをすべて除去し、残りの最低電圧値Ｖｓｔの平均値を計算により導く簡単なプログラムを組み、両者の値を比較した（表２）。

表２から分かるように両者のデータ間には約０．６Ｖの差があり、この値は誤判定を起こしかねない数値ということができる。

本発明は車両に搭載された鉛電池の劣化状態を正確に判定可能な電池状態判定装置を提供するものであるため、電池状態判定装置の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の電池状態判定装置及び車両のブロック配線図である。実施形態の電池状態判定装置のマイコンのＣＰＵが実行する電池状態判定ルーチンのフローチャートである。一般的な鉛電池のエンジン始動時の最低電圧を示すグラフである。

符号の説明

１電池状態判定装置
２鉛電池
３電圧センサ（変換手段の一部）
１０マイコン（変換手段の一部、最低電圧値抽出手段、判定手段、エンジン始動間隔判断手段）

Claims

車両に搭載された鉛電池の劣化状態を判定する電池状態判定装置において、
前記鉛電池のエンジン始動時のアナログ電圧を１００Ｈｚ以上の速度でデジタル電圧値に変換する変換手段と、
前記変換手段で変換されたデジタル電圧値の中から前記鉛電池のエンジン始動時の最低電圧値（Ｖｓｔ）を抽出する最低電圧値抽出手段と、
前記最低電圧値抽出手段でエンジン始動の度に抽出された複数の前記最低電圧値（Ｖｓｔ）のうち、予め設定された上限電圧値以上の最低電圧値及び予め設定された下限電圧値以下の最低電圧値を削除し、残りの最低電圧値の中央値、最頻値、平均値のいずれかが予め設定された判定基準電圧値以下かを判定する判定手段と、
を備えた電池状態判定装置。
前記上限電圧値は１０．５Ｖであり、前記下限電圧値は３．０Ｖであることを特徴とする請求項１に記載の電池状態判定装置。
前記上限電圧値は前記最低電圧値（Ｖｓｔ）のうちの最大値であり、前記下限電圧値は前記最低電圧値（Ｖｓｔ）のうちの最小値であることを特徴とする請求項１に記載の電池状態判定装置。
前記最低電圧値抽出手段で抽出された最低電圧値（Ｖｓｔ）を記憶する不揮発性記憶手段を更に備え、前記判定手段は前記記憶手段に記憶された複数の前記最低電圧値（Ｖｓｔ）を読み出すことを特徴とする請求項１に記載の電池状態判定装置。
エンジン始動がエンジン停止後所定時間以上経てなされたかを判断するエンジン始動間隔判断手段を更に備え、前記エンジン始動間隔判断手段が肯定判断したときに、前記最低電圧値抽出手段が前記変換手段で変換されたデジタル電圧値の中から前記鉛電池のエンジン始動時の最低電圧値（Ｖｓｔ）を抽出することを特徴とする請求項１又は請求項４に記載の電池状態判定装置。